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TROCADOR DE CALOR - MODELO CASCO TUBOS
Kelly Regina¹, Luiz Felipe do Prado Lopes¹, Paola Silva Mota¹, Vitória Francisco¹ Profª Dra.Monica Tais Siqueira D’Amelio Felippe² Universidade São Francisco paolamota.silva@gmail.com
(^1) Aluno do Curso de Engenharia Química, Universidade São Francisco; Campus Bragança Paulista (^2) Professor Orientador.
Resumo. Este projeto visou a construção de um modelo protótipo de trocador de calor modelo casco e tubo, na qual sua função é efetuar uma troca de calor entre dois fluidos que estão em diferentes temperaturas. Sua estrutura de casco feita com PVC (Policloreto de polivinila) e seu interior por canos de cobre, a qual tem um bom coeficiente de troca de calor, onde se permite uma maior obtenção de resultados satisfatórios. De maneira geral a construção do protótipo auxilia na comparação de valores com um trocador de calor real, e permite visualizar, através de contas, suas perdas de carga ao longo do funcionamento.
Palavras-chave : trocador, calor, fluidos.
Introdução
Pode-se determinar que um trocador de calor se tem por destinação efetuar uma troca de calor entre dois fluidos que estão em diferentes temperaturas e separados por uma parede sólida através da qual o calor se escoa (FELIPPE, 2018).
Segundo (FELIPPE, 2018), o projeto completo de um trocador de calor, pode ser subdividido em três fases principais, na quais são:
- A análise térmica: consiste na determinação da área de troca de calor requerida, dada as certas condições de escoamento e temperaturas dos fluidos;
- projeto mecânico preliminar: consiste em considerações sobre pressões e temperaturas de operação, características de corrosão, expansões térmicas, tensões térmicas e perda de carga;
- (^) projeto de fabricação: consiste no requerimento da translação das características e dimensões físicas (KREITH, 1969, p.511.).
Para atingir uma economia máxima, a maioria das empresas adotam um padrão de trocadores de calor (KREITH, 1969, p.511.). Alguns trocadores de calor, como torres de refrigeração e aquecedores, empregam a mistura direta dos fluidos, envolvendo a transferência de massa além da transferência de calor. Entretanto, o mais comum é que os fluidos sejam separados por uma parede ou partição, a qual promove a transferência de calor diretamente (FELIPPE, 2018).
Tipos de Trocadores de Calor
Os trocadores de calor podem ser classificados quando o modo de troca de calor e ao tipo de construção (FELIPPE, 2018), como representa as figuras 1 e 2 abaixo:
Figura 1 e 2 - Demonstração dos tipos de trocadores. Fonte 1 e 2: BOHORQUEZ
O trocador de calor exposto neste trabalho é denominado tubular de carcaça e tubo, na qual é formado por um feixe de tubos paralelos contidos em um tubo de cilíndrico maior denominado de casco (Figura 3) (FELIPPE, 2018). Um dos fluidos escoa pelo interior dos tubos, enquanto que o outro escoa por fora dos tubos e dentro do casco (BOHORQUEZ). É o tipo de trocador mais usados na indústria, pois oferece uma grande área de troca de calor, sendo utilizados para quaisquer capacidades e condições operacionais, tais como pressões, temperaturas altas, atmosferas altamente corrosivas, fluidos muito viscosos entre outros (BOHORQUEZ).
Figura 3 - Trocador de calor casco e tubos. Fonte: USP.
Neste tipo de trocador de calor, são utilizados defletores (ou chicanas) para aumentar o coeficiente de película do fluido do casco pelo aumento da turbulência e da velocidade de escoamento deste fluido (Figura 4) (FELIPPE, 2018).
Figura 4 - Defletores ou chicanas. Fonte: FELLIPE, 2018.
Habitualmente os trocadores de calor são construídos com o uso de ligas metálicas, dado que as ligas metálicas dispõem de altos índices de condutividade térmica, ou seja, são excepcionalmente pertinentes para que a transmissão de calor ocorra entre os fluidos. (JR CALLISTER e RETHWISCH, 2016).
Tipos De Escoamentos
Em um trocador de calor, podem ocorrer três tipos de correntes:
- Correntes paralelas: Os fluidos quente e frio entram na mesma extremidade do trocador de calor, fluem na mesma direção e saem juntos na outra extremidade (Figura
- (BOHORQUEZ).
Figura 5 - Exemplo de correntes paralelas. Fonte: BOHORQUEZ.
- Contracorrente: Os fluidos quente e frio entram em extremidades opostas do trocador de calor e fluem em direções opostas (Figura 6) (BOHORQUEZ).
Figura 6 - Exemplo de Contracorrente. Fonte: FELLIPE, 2018.
- Correntes cruzadas: Os fluidos, em geral, fluem perpendicularmente um ao outro. Na disposição em correntes cruzadas, o escoamento pode ser misturado ou não misturado (Figura 7) (FELIPPE, 2018).
Procedimento de montagem Segundo Projeto
Para a montagem do segundo trocador de calor, iniciamos do zero, reaproveitando apenas os tubos de cobre do primeiro projeto. Mandamos confeccionar as chicanas em uma loja de calhas, portanto foram feitas de zinco e com ferramentas específicas, o que facilitou na montagem pois os furos foram feitos do tamanho correto. Foram confeccionadas as duas placas de PVC para servir como barreira, para cortar essas placas de PVC aquecemos no forno um pedaço de cano de PVC cortado na lateral, conforme esquentou prensamos entre dois pisos formando uma chapa de PVC quadrada, dessa chapa retiramos os dois círculos e fizemos os furos igual da chicanas para passar os tubos de cobre.
Figura 10 – Chicanas e placas de PVC do segundo projeto. Fonte: Próprio Autor.
Então montamos o conjunto tubos de cobre e chicanas, para fixar as chicanas nos tubos utilizamos solda.
Figura 11 – Conjunto tubos de cobre e chicanas. Fonte: Próprio Autor.
Inserimos o conjunto dentro do cano PVC e acoplamos as barreiras de PVC. Utilizamos cola de Poliuretano para vedar, com a finalidade de evitar qualquer vazamento entre os fluidos quente e frio. Foram realizados diversos testes para verificar que não haviam nenhum vazamento nessa parte. Para reforçar a vedação, junto com a cola de PU foram colocados anéis orings em torno dos tubos e na lateral da barreira.
Figura 12 – Conjunto tubos de cobre e chicanas e os anéis orings sendo colocados. Fonte: Próprio Autor.
Figura 13 – Conjunto tubos de cobre e chicanas já acoplado no cano PVC e barreira já fixada e vedada com cola PU. Fonte: Próprio Autor.
Após a secagem total da cola poliuretano na vedação das barreiras e todos os testes realizados e confirmado que não havia nenhum vazamento colamos as tampas já com as mangueirinhas inseridas e fixadas com cola PU. Fizemos um furo no cano PVC, para dentro da barreira em ambas as extremidades, e inserimos as mangueiras também colando com poliuretano. Feito isso o segundo trocador está finalizado. Esperamos 24 horas para a secagem total da cola e realizamos testes que não apresentou nenhum vazamento.
Figura 14 – Segundo trocado finalizado. Fonte: Próprio Autor.
Para solucionarmos o problema da bomba, decidimos substituir a bomba grande por duas bem menores, as duas sendo bombas elétricas de aquário, que sem dúvidas o rendimento foi bem melhor e silencioso, e a troca de calor foi muito satisfatória, e tudo isso com bem menos pressão e esteticamente melhor que o protótipo anterior.
Figura 15 – Bombas de aquário. Fonte: Próprio Autor.
Todos os vazamentos foram contidos, pois utilizamos outro tipo de cola diferente do primeiro projeto que utilizamos cola cano e silicone, para o segundo projeto utilizamos uma Cola Plástica, o poliuretano também conhecido como PU. Selante poliuretano é um produto que pode ser monocomponente ou bicomponente. Tem elevada elasticidade e alta resistência, indicado para aplicação em metais, ampla variedade de plásticos, madeira, borracha, vidro e concreto. Une-se partes rígidas e flexíveis suportando temperaturas entre -40ºC até 90ºC. É amplamente utilizado para colagem e vedação. Para a construção dos suportes dos trocadores, foram usados caixas de madeira (aquelas de feira).
Figura 16 – Projeto mais o suporte. Fonte: Próprio Autor.
Com tudo seco, sem vazamentos nenhum, o protótipo ficara pronto para ser utilizado. Foram realizados testes para conferir se havia vazamentos, e nenhum vazamento foi encontrado
Neste protótipo final, foram usados os seguintes equipamentos: um trocador de calor casco (tubo de PVC) e quatro tubos de cobre de diâmetro de 15mm, acoplados com algumas chicanas dentro do casco (chicanas produzidas em zinco); dois reservatórios com água, um com água e gelo, e outro, com água com temperatura menor que a ambiente (quente), mangueiras de silicone com diâmetro de 4mm e duas bombas de aquário para efetuação da circulação do fluido.
Neste experimento buscou-se identificar a transferência de calor durante o resfriamento do líquido (água). Um balanço térmico, permite afirmar que, o calor (Q) cedido ao ambiente é proporcional à variação da temperatura (ΔT), segundo à expressão:
Q = ṁ Cp ΔT, no qual ṁ e Cp são, respectivamente, a sua massa e o seu calor específico.
O calor cedido pelos tubos, Q1, é calculado com base nos valores de temperaturas registrados durante o experimento, através da equação:
Q1 = ṁ Cp (Ti – Tf), Sendo Ti – Tf, respectivamente, a temperatura inicial e a final em cada intervalo de tempo.
Resultados e Discussão
Na primeira apresentação do projeto para nossa orientadora Monica enfrentamos diversos problemas com vazamentos, a alta pressão da primeira bomba utilizada fez com que o cano de PVC e a cola cano não aguentassem e com isso surgiram pontos de vazamento por todo o protótipo. Tentamos resolver somando nas emendas outros tipos de vedantes como durepoxi e fita metálica para cano, mas foram ineficientes. Mesmo com os vazamentos foi possível analisar que houve uma troca de calor, o líquido quente entrou no trocador com 18,8ºC e saiu com 17,1ºC, enquanto o fluido frio entrou com 9,3ºC e saiu com 12,6ºC.
Figura 17 – Gráfico temperatura primeiro projeto. Fonte: Próprio Autor.
Para calcular o calor (Q), calculamos a vazão mássica (ṁ) por meio da vazão volumétrica que aferimos de forma experimental. Obtivemos os seguintes resultados para vazão mássica.
Tabela 5 – Vazão mássica. Fonte: Próprio Autor.
O Cp foi calculado a partir da tabela de termodinâmica para ambas as temperaturas de entrada e saída do líquido quente e foi tirado uma média, portanto o resultado final foi de 0,999412.
O ΔT é a diferença entre a temperatura final do líquido quente e a inicial, logo ΔT =
(21,9 +273) - (20,3 +273) = 1,6ºC
Dessa forma o calor perdido pelo fluido quente pode ser expresso pela equação
abaixo.
Q = ṁ * Cp * ΔT = 0,0992 * 0,999412 * (1,6) = 0,159J
Com o valor do calor perdido pelo fluido quente calculamos o fator de incrustação experimental pela equação abaixo.
Q = Ud A LMTD
0,159 = Ud * 62,9 * 1,
Ud = 1,58x10-
Segundo a tabela para dimensionamento do trocador de calor (Kern pag. 661) o Ud global para trocador de calor com líquido quente água e líquido frio água é de 200 – 500. A diferença entre o calculado e o descrito na tabela se deve ao fato de estarmos falando de incrustação, como o nosso protótipo é novo e em pequena escala quase não temos essa característica enquanto o livro leve em consideração um trocador de calor industrial.
Com base nos cálculos a área de troca necessária seria de 7,12 x 10-4m², no protótipo montado a área de troca é de 4,0589x10-3 m². Logo o excesso de área de troca é 470,075%.
Conclusões
O trabalho em questão foi divido em duas construções de protótipos, a primeira apresentada com diversos problemas de montagem mas obtendo resultados considerados satisfatórios, contudo este não aguentaria uma nova apresentação assim, nos conduzindo a segunda construção, aonde os erros cometidos anteriormente não se repetiram e a finalização e aferição de dados ocorreu como planejado, não existindo nenhuma perturbação, esse segundo protótipo foi adotado como o de base para os cálculos de comparação. Pode-se creditar esse resultado à um projeto bem sucedido do trocador de calor, mais especificamente a escolha dos parâmetros geométricos adequados aplicados na construção de tal. Pela análise dos dados experimentais colhidos durante os testes pode-se afirmar que o objetivo principal desse projeto foi atingido, ou seja, uma variação bastante significativa de temperaturas, já sua perda de carga durante o processo, o fluido quente obteve uma perda maior que o fluido frio, sendo essa diferença um caso de estudo futuramente. Apesar de ter sido considerado bem sucedido, ainda pode ser melhorado, pois em comparação com um
trocador de calor usual, sua área de troca em excesso foi extremamente enorme, ficando assim como observação para novas realizações de protótipos deste tipo.
Referências Bibliográficas
BOHORQUEZ, W. O. I. Trocadores de calor. Disponível em: < http://www.ufjf.br/ washington_irrazabal/files/2014/05/Aula-23_Trocadores-de-Calorf>. PDF. Acesso em: 28 nov. 2018.
FELIPPE, M.T.S.D. Notas de aula. Transferência de calor e massa.
Jr., CALLISTER, William D., RETHWISCH, David G. Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução , 9ª edição. LTC, 07/2016.
KREITH. F. Princípios da transmissão de calor. São Paulo: Edgard Blucher LTDA,
